吴建功
（中车大同电力机车有限公司，山西 大同 037000）
铁路运输为当前路运的关键方式，其先后经历了蒸汽机车、内燃机车、电力机车三个发展阶段。目前，主要以电力机车为主，其可作为货物和乘客的运输载体。牵引电机为电力机车的核心部件，其性能直接决定能否对电力机车进行稳定、安全的控制。目前，对于电力机车而言，国内企业主要完成制造任务；
而对于电力机车的核心控制技术而言，我国与发达国家还存在较大的差距[1]。尤其是在近年来，国外技术对我国的封锁以及在铁路运输需求越来越大的形式下，开展电力机车的调控策略研究尤为重要。本文重点开展调制控制策略在大功率电力机车中的应用研究。
电力机车的牵引动力为电动机，其具有高电压和大电流的特点。为电力机车所配置开关的最高频率为几百赫兹，而电动机运行时的最高频率为百赫兹左右；
为了保证电力机车可在全速度范围之内稳定运行，需要采取相应的调制方式进行控制。目前，针对电力机车最高开关频率与逆变器最高输出频率可采用的调制方式包括有异步调制、规则采样同步调制、特殊同步调制和方波调制[2]。经统计，目前我国应用较为广泛的高速动车组和重载牵引电机车开关频率和逆变器的最高输出频率如表1 所示。
表1 高速动车组和重载牵引电机车开关频率与逆变器的最高输出频率 Hz
本文以重载牵引电力机车为例开展研究，具体型号为HXD2C。该型电力机车对应牵引传动系统的电路原理如图1 所示。HXD2C 电力机车电机采用交流-直流-交流供电模式；
该型电力机车每个转向架均配套有3 台电动机，为每台电动机配套1 个逆变器，并在轴控方式的作用下保证每个轴的牵引力可完全服务于机车。HXD2C 电力机车的主要技术参数如表2所示。
表2 HXD2C 电力机车主要技术参数
图1 HXD2C 型电力机车配套牵引系统的电路原理
实现对大功率电力机车的调制控制，主要目的是能够保证电力机车在全速度范围之内稳定、安全运行。因此，在某种程度上要求电力机车控制策略中控制算法与调制算法分为两个独立的部分，其可在很大程度上解决PWM延时严重的问题。其中，控制算法主要是根据实际工况生成相应的电压指令；
调制算法是将控制算法中形成的电压指令转换为脉冲信号发射出去，具体矢量控制框图如下页图2 所示。
图2 大功率电机车的矢量控制框图
基于控制算法可实现AD 采样、接收指令以及滤波等功能；
基于调制算法可实现电力机车在全速度范围之内载波均处于周期变化的状态。理论上，为保证电机车的稳定运行，控制算法对应的计算频率是高于载波频率的。本项目中调制算法基于非优化PWM的中间60°调制方式实现。
但是，实践表明单纯采用图2 所示的矢量控制框图容易导致电力机车在实际运行过程发生一些额外的问题，主要表现在对电力机车过分相区和准恒速度控制方面，对其稳定运行造成一定的影响。因此，需针对性地对上述两方面提出相应的控制策略。
2.1 电力机车过分相区直流电压控制策略
所谓过分相区指的是目前电气化铁道采用单相供电，为了能够对三相电的负荷进行平衡，需要每隔一段接触网进行换相供电。在换相供电的过程中，会在输入和输出端出现短时间的无电状态，即为过分相过程。针对上述的过分相过程采用如图3 所示的控制逻辑解决短时间无电的情况。
图3 过分相过程无电情况的逻辑控制策略
2.2 电力机车的准恒速度控制策略
目前，电力机车牵引系统以其转矩为控制目标进行控制，而不是对其速度进行直接控制。但是，在实际运行中为了保证电力机车在最短的时间内达到指定的速度，减小司机频繁的操作量，要求电力机车可直接对其速度进行控制，并保证速度控制精度控制在±2.5 km/h 之内。
鉴于电力机车的负载相对复杂，其对应的转动惯量的变化幅度也较大。采用传统闭环控制其对应的调节系数不易调节控制。因此，针对电力机车的准恒速度控制采用比例控制实现，对应的控制策略如图4 所示。
图4 电力机车准恒速度控制策略框图
3.1 运输工况突变时的稳定性试验
对电力机车在牵引工况、牵引满级工况、再生制动工况、再生制动满级工况下突变时电力机车运行稳定性进行试验。其中，牵引工况对应的速度低于10 km/h，牵引满级工况包括速度在65～75 km/h 和115～125 km/h 两种工况；
再生制动工况速度低于10 km/h；
再生制动满级工况包括速度在65～75 km/h 和115～125km/h 两种工况。
经试验，不同运行工况的切换并未对电力机车的高压系统、辅助系统以及牵引系统造成一定的故障；
而且，机车在工况切换过程中并未出现相关的错误信息；
尤其是在准恒速控制策略下，电力机车的速度并未出现较大的波动，可满足实际运行中的定速控制要求。
3.2 电力机车总效率试验
电力机车在额定网压下，且在额定牵引工况下电机持续输出额定功率，经测得电力机车的总效率为86%，满足机车总效率≥85%的要求。
电力机车在牵引工况、牵引满级工况、再生制动工况、再生制动满级工况下突变时各部件性能均可稳定运行；
基于上述控制策略支撑下的牵引系统可保证电力机车运行总效率达到86%。